香格里拉碳纖維布加固公司-加固之家

碳纖維在1960年代投放到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)殼和坦克中時(shí)，它不僅可以代替玻璃纖維，而且還可以吸收其他各種材料。

用于制造碳纖維的原料稱為前體。生產(chǎn)的碳纖維中約有90％由聚丙烯腈（PAN）制成。其余的10％由人造絲或石油瀝青制成。所有這些材料都是有機(jī)聚合物，其特征在于由碳原子結(jié)合在一起的長(zhǎng)分子分子。每個(gè)前體的確切組成因一家公司而異，通常被認(rèn)為是商業(yè)秘密。

在制造過程中，會(huì)使用各種氣體和液體。這些材料中的一些被設(shè)計(jì)為與纖維反應(yīng)以達(dá)到特定的效果。其他材料設(shè)計(jì)為不與纖維起反應(yīng)或防止與纖維發(fā)生某些反應(yīng)。與前體一樣，許多這些處理材料的確切成分也是專有的。

碳纖維的制造過程部分是化學(xué)過程，部分是機(jī)械過程。前驅(qū)體被拉成長(zhǎng)條或纖維，然后加熱到很高的溫度，而不讓它與氧氣接觸。沒有氧氣，纖維將無(wú)法燃燒。相反，高溫導(dǎo)致纖維中的原子劇烈振動(dòng)，直到大部分非碳原子被排出為止。此過程稱為碳化，留下的纖維由長(zhǎng)且緊密互鎖的碳原子鏈組成，僅剩余少量非碳原子。

50年后，它仍然是一種奇特的材料。當(dāng)然，蝙蝠俠穿上了西裝，昂貴的汽車在儀表盤和性能部件上散布著它，但低端價(jià)格為每磅10美元，對(duì)于大規(guī)模部署而言，價(jià)格仍然太高了。我們已經(jīng)使用了幾十年了。我們的材料科學(xué)摩爾定律在哪里使這種材料便宜？為什么這些東西仍然那么貴？

穩(wěn)定

在纖維碳化之前，需要對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改變，以將其線性原子鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼰岱€(wěn)定的梯形鍵。這是通過將空氣中的纖維加熱到大約390-590°F（200-300°C）30-120分鐘來(lái)完成的。這導(dǎo)致纖維從空氣中吸收氧分子并重新排列其原子鍵合模式。穩(wěn)定化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟，其中一些步驟會(huì)同時(shí)發(fā)生。它們還會(huì)產(chǎn)生自己的熱量，必須對(duì)其進(jìn)行控制以避免纖維過熱。在商業(yè)上，穩(wěn)定化過程使用多種設(shè)備和技術(shù)。在某些過程中，纖維被拉過一系列加熱室。在另一些情況下，纖維通過熱輥并通過熱空氣流保持懸浮的松散物料床。

碳化

纖維穩(wěn)定后，將它們?cè)谘b滿不含氧氣的氣體混合物的熔爐中加熱至約1,830-5,500°F（1,000-3,000°C）的溫度幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在非常高的溫度下燃燒。保持爐內(nèi)的氣壓高于外部氣壓，并密封纖維進(jìn)出爐的位置，以防止氧氣進(jìn)入。隨著纖維被加熱，它們開始以各種氣體的形式失去其非碳原子以及一些碳原子，這些氣體包括水蒸氣，氨，一氧化碳，二氧化碳，氫氣，氮?dú)獾?。隨著非碳原子的排出，剩余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體，這些晶體或多或少地平行于纖維的長(zhǎng)軸排列。

處理表面

碳化后，纖維的表面不能與環(huán)氧樹脂和復(fù)合材料中使用的其他材料很好地粘合。為了使纖維具有更好的粘結(jié)性能，其表面會(huì)被輕微氧化。向表面添加氧原子可提供更好的化學(xué)鍵合性能，并對(duì)表面進(jìn)行蝕刻和粗糙化以獲得更好的機(jī)械鍵合性能。可以通過將纖維浸入各種氣體（例如空氣，二氧化碳或臭氧）中來(lái)實(shí)現(xiàn)氧化。或在各種液體（如次氯酸鈉或硝酸）中使用。也可以通過在充滿各種導(dǎo)電材料的浴中將纖維制成正子，從而對(duì)纖維進(jìn)行電解涂覆。必須小心控制表面處理過程，以免形成微小的表面缺陷（例如凹坑），而這些缺陷可能導(dǎo)致纖維失效。

漿紗

表面處理后，對(duì)纖維進(jìn)行涂覆以保護(hù)它們?cè)诶p繞或編織過程中不受損壞。此過程稱為調(diào)整大小。選擇涂層材料使其與用于形成復(fù)合材料的粘合劑兼容。典型的涂料包括環(huán)氧樹脂，聚酯，尼龍，氨基甲酸酯等。

涂覆的纖維纏繞在稱為線軸的圓柱上。將線軸裝入紡紗機(jī)中，然后將纖維捻成各種尺寸的紗線。

在碳纖維成為碳纖維之前，它開始是一種基礎(chǔ)材料，通常是一種有機(jī)聚合物，其碳原子將一長(zhǎng)串稱為聚丙烯腈的分子粘合在一起。對(duì)于類似于毛衣和地毯中的丙烯酸材料的材料，這是一個(gè)大詞。但是不同于地板和衣服丙烯酸，變成一種比鋼鐵更強(qiáng)更輕的材料的價(jià)格更高。每磅起價(jià)三歐元的價(jià)格聽起來(lái)可能過高，但在制造過程中，數(shù)量激增。

看到，要獲得碳纖維的碳部分，原料的一半丙烯酸必須被踢掉。橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聚合物基復(fù)合材料小組的鮑勃·諾里斯解釋說(shuō)：“最終產(chǎn)品的成本將是開始時(shí)的兩倍，因?yàn)闊袅艘话??！?“甚至在不考慮能源和設(shè)備之前，最終產(chǎn)品中的前體成本約為每磅5美元。”

每磅5美元的價(jià)格也是使碳纖維進(jìn)入主流汽車應(yīng)用的魔幻數(shù)字。七個(gè)骨頭會(huì)起作用，但五個(gè)會(huì)最大。因此，就目前而言，僅基礎(chǔ)材料就已經(jīng)超出了預(yù)算。

還有更多。迫使丙烯酸酯釋放其非碳原子會(huì)耗費(fèi)巨大的機(jī)器和大量的熱量。兩個(gè)主要加工步驟中的第一個(gè)是氧化穩(wěn)定化。在這里，纖維不斷地通過50-100英尺長(zhǎng)的烘箱喂入，從而排出數(shù)百攝氏度范圍內(nèi)的熱量。這個(gè)過程需要幾個(gè)小時(shí)，所以它是一個(gè)巨大的能量消耗者。

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